Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu phân hủy chất Rhodamine B sử dụng kỹ thuật plasma jet

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:45

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý "Nghiên cứu phân hủy chất Rhodamine B sử dụng kỹ thuật plasma jet" trình bày các nội dung chính sau: Thiết lập hệ thiết bị plasma jet ứng dụng vào quá trình phân hủy Rhodamine B; Tìm hiểu cơ chế và tác nhân chính giúp phân hủy Rhodamine B bằng phương pháp plasma jet; Tối ưu hóa các điều kiện của hệ plasma jet để đạt được hiệu quả phân hủy Rhodamine B cao nhất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu phân hủy chất Rhodamine B sử dụng kỹ thuật plasma jet

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẦN HỒNG QUÂN Trần Hồng Quân VẬT LÝ CHẤT RẮN NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT RHODAMINE B SỬ DỤNG KỸ THUẬT PLASMA JET LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN 2021 Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trần Hồng Quân NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY CHẤT RHODAMINE B SỬ DỤNG KỸ THUẬT PLASMA JET Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NGUYÊN THUẬN Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Đào Nguyên Thuận. Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm. Tác giả Trần Hồng Quân
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện và hỗ trợ các công việc hành chính để tôi có thể hoàn thành các thủ tục và bảo vệ đúng thời hạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đào Nguyên Thuận - Trưởng phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học Vật liệu đã tận tình hướng dẫn, giải đáp các thắc mắc, tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn thạc sĩ. Không chỉ là kiến thức, thầy đã chia sẻ những kỹ năng, kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu nói riêng và cuộc sống nói chung bằng những gì tâm huyết nhất. Tôi xin cảm ơn NCS. Lê Thị Quỳnh Xuân, phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học Vật liệu, luôn nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong thời gian tôi hoàn thành luận văn này ở phòng Công nghệ Plasma, Viện Khoa học Vật liệu. Cuối cùng là những người quan trọng nhất và không thế thiếu, cho tôi được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cha mẹ, anh em trong gia đình, là nguồn động lực to lớn giúp tôi vượt qua khó khăn, luôn theo dõi, ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua những trở ngại trên con đường học tập. Tôi rất mong nhận được những những ý kiến góp ý, bổ sung của các thầy cô, bạn bè để tôi có thể hoàn thiện luận văn một cách trọn vẹn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2021 Học viên Trần Hồng Quân
1 MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................ 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 3 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 5 1. Lý do lựa chọn đề tài ............................................................................... 5 2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................... 5 3. Cấu trúc của luận văn.............................................................................. 6 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 7 1.1. Giới thiệu về công nghệ plasma ........................................................... 7 1.1.1. Tổng quan về công nghệ plasma ...................................................... 7 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ plasma ..................................................... 9 1.1.3. Tình hình nghiên cứu plasma lạnh ................................................... 9 1.2. Chất màu Rhodamine B ..................................................................... 10 1.2.1 Tổng quan về Rhodamine ................................................................ 10 1.2.3 Ứng dụng của Rhodamine B ............................................................ 11 1.2.4 Độc tính của thuốc nhuộm Rhodamine B ........................................ 12 1.3. Các phương pháp xử lý Rhodamine B .............................................. 12 1.4. Các phương pháp đo đặc trưng ......................................................... 14 1.4.1 Phổ hấp thụ UV-Vis ......................................................................... 14 1.4.2. Phương pháp đo nồng độ H2O2 ...................................................... 17 1.4.3 Phương pháp đo độ pH .................................................................... 18 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 19 2.1. Hóa chất ............................................................................................... 19 2.2. Thiết lập hệ plasma phân hủy chất màu Rhodamine B .................. 19 2.2.1 Hệ plasma jet ................................................................................... 19 2.2.2 Bố trí thí nghiệm plasma trong quá trình phân hủy Rhodamine B . 19 2.3. Quy trình tiến hành thí nghiệm ......................................................... 20 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 21 3.1. Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc nồng độ Rhodamine B vào phổ hấp thụ ................................................................................................................ 21
2 3.2. Phân hủy Rhodamine B bằng plasma jet ......................................... 21 3.3. Cơ chế của quá trình phân hủy Rhodamine B bằng tia plasma .... 24 3.3.1 Gốc hydroxyl (• OH) là chất oxy hóa quan trọng ........................... 24 3.3.2 Ảnh hưởng của hydro peroxit (H2O2) trong quá trình xử lý plasma 25 3.4. Sự phu thuộc tốc độ phân hủy Rhodamine B vào các thông số hệ plasma jet .................................................................................................... 27 3.4.1. Công suất nguồn phát và tốc độ dòng khí ...................................... 27 3.4.2. Khoảng cách từ ống kim loại tới bề mặt dung dịch........................ 28 3.5. Tìm phương pháp tăng tốc độ xử lý Rhodamine B ......................... 30 3.5.1. Thí nghiệm sử dụng khí Ni-tơ (N2) thay thế khí argon (Ar) ........... 30 3.5.2. Thí nghiệm sử dụng ống thạch anh đục lỗ...................................... 32 3.5.3. Thí nghiệm sử dụng kết hợp khí argon và khí oxy .......................... 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 37 KẾT LUẬN .................................................................................................. 37 KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 38
3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Hình ảnh 4 trạng thái cơ bản của vật chất và hình ảnh của trạng thái plasma................................................................................................................ 7 Hình 1.2. Hình ảnh Mặt Trời ............................................................................ 8 Hình 1.3.Các tính chất của plasma lạnh và các ứng dụng của nó [2] ............... 8 Hình 1.4. Cấu tạo chung của họ Triphenylmethane và cấu tạo của Rhodamine B ...................................................................................................................... 10 Hình 1.5. (A) Mẫu bột Rhodamine B và (B) dung dịch Rhodamine B .......... 11 Hình 1.6. Sơ đồ hoạt động của hệ đo phổ hấp thụ UV-Vis [31]..................... 14 Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo thiết kế chùm đơn và chùm đôi [30] ........................ 15 Hình 1.8. Hệ đo phổ UV-Vis ghép nối với máy tính ...................................... 17 Hình 1.9. Máy đo pH cầm tay AD11 .............................................................. 18 Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thí nghiệm ............................................................ 20 Hình 3.1. (A) Phổ hấp thụ của các dung dịch Rhodamine B có nồng độ khác nhau, (B) Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của đỉnh phổ hấp thụ (554 nm) vào nồng độ Rhodamine B trong dung dịch. ......................................................... 21 Hình 3.2. Hình ảnh 10 ml dung dịch Rhodamine B (50mg/l) (A) trước khi xử lý với plasma và (B) sau khi xử lý với plasma 24 phút. (C) Phổ hấp thụ của Rhodamine B (0 phút, đường màu đen) trước và (24 phút, đường cong màu đỏ) sau khi xử lý với plasma. Phần trong là cấu trúc hóa học của Rhodamine B. 22 Hình 3.3. (A) Sự phụ thuộc phổ hấp thụ của Rhodamine B ở bước sóng 554 nm vào thời gian xử lý plasma. (B) Tỉ lệ phần trăm thuốc nhuộm còn lại (chấm đen) là hàm của thời gian xử lý plasma và độ phù hợp (đường cong màu đỏ) theo động học phản ứng bậc một. ................................................................... 22 Hình 3.4. (A) Nồng độ hydro peroxit (H2O2) được phát hiện bằng 2 phương pháp khác nhau sau một vài thời gian xử lý plasma. (B) Đồ thị phần trăm của thuốc nhuộm còn lại là hàm của thời gian xử lý plasma ở 3 nồng độ H2O2 ban đầu khác nhau. ................................................................................................. 25 Hình 3.5. So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B với các công suất nguồn phát plasma khác nhau:1,3 W, 1 W và 0,7 W ..................................................................... 27 Hình 3.6. So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B với tốc độ dòng khí khác nhau:4 l/min và 8 l/min ............................................................................................... 28 Hình 3.7. Cách bố trí kim phát plasma và cốc dung dịch trong trường hợp (A) đầu phát plasma jet ngập trong dung dịch chất màu Rhodamine B; (B) đầu phát plasma jet cách bề mặt dung dịch 5 mm ......................................................... 29 Hình 3.8. So sánh tốc độ xử lý Rhodamine B ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma jet ngập trong dung dịch chất màu Rhodamine B; (B) đầu phát plasma jet cách bề mặt dung dịch 5 mm ..................................................................... 29
4 Hình 3.9. So sánh (A) độ pH khi sử dụng hai loại khí dẫn Ar và N2 và (B) tỉ lệ Rhodamine B còn lại trong dung dịch trong hai thí nghiệm sử dụng hai loại khí dẫn Ar và N2 .................................................................................................... 31 Hình 3.10. Cách bố trí kim phát plasma và cốc dung dịch trong trường hợp (A) đầu phát plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bị đục một lỗ ............. 32 Hình 3.11. Cơ chế hoạt động của ống thạch anh ............................................ 33 Hình 3.12. So sánh tốc độ xử lý Rhodamine B ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bị đục một lỗ ............................ 33 Hình 3.13. Đồ thị so sánh độ pH ở hai trường hợp: (A) đầu phát plasma nguyên vẹn; (B) đầu phát plasma jet bị đục một lỗ ..................................................... 34 Hình 3.14. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong thí nghiệm kết hợp khí argon và oxy ......................................................................................................................... 35 Hình 3.15. So sánh tỷ lệ xử lý Rhodamine B trong hai trường hợp chỉ sử dụng bình oxy và trường hợp kết hợp khí argon và oxy. ......................................... 35
5 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hiện nay, Rhodamine B được biết đến là một chất màu được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp dệt may, lĩnh vực sinh học và thậm chí còn được sử dụng trong thực phẩm. Nước thải chứa Rhodamine B dư thừa khi được xả thải ra môi trường sẽ trực tiếp gây ảnh hưởng tới môi trường tự nhiên, các loài động vật và cả con người. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thuốc nhuộm Rhodamine B gây ung thư ở loài người. Chính bởi những tác hại mà Rhodamine B đã gây ra nên nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam đã cấm sử dụng loại thuốc nhuộm này trong thực phẩm. Nhưng ở một số nước vẫn sử dụng Rhodamine B bất hợp pháp cho nhiều loại thực phẩm như hạt dưa, ớt bột… Có nhiều phương pháp phân hủy Rhodamine B khác nhau như: các phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp sinh học. Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng phương pháp plasma để xử lý Rhodamine B với mong muốn giảm thiểu tối đa các chất hóa học. Đây cũng làm một phương pháp mới trong xử lý các chất thải màu ở Việt Nam. Trên cơ sở tham khảo các tài liệu đã công bố, điều kiện phòng thí nghiệm tại phòng Công nghệ plasma, Viện Khoa học Vật liệu, tôi lựa chọn hướng nghiên cứu là: “Nghiên cứu phân hủy chất Rhodamine B sử dụng kỹ thuật plasma jet”. 2. Mục tiêu của đề tài Các mục tiên đề tài nghiên cứu này bao gồm: - Thiết lập hệ thiết bị plasma jet ứng dụng vào quá trình phân hủy Rhodamine B. - Tìm hiểu cơ chế và tác nhân chính giúp phân hủy Rhodamine B bằng phương pháp plasma jet.
6 - Tối ưu hóa các điều kiện của hệ plasma jet để đạt được hiệu quả phân hủy Rhodamine B cao nhất. 3. Cấu trúc của luận văn Nội dung chính của luận văn này được chia thành 4 chương chính như sau: Chương 1. Tổng quan: trình bày tổng quan về và các ứng dụng của công nghệ plasma, về chất màu Rhodamine B, các phương pháp xử lý chất màu Rhodamine B đã được sử dụng hiện nay và các phương pháp đo phổ đặc trưng sử dụng trong nghiên cứu Chương 2. Thực nghiệm: giới thiệu các hóa chất được sử dụng trong thí nghiệm, trình bày các bước tiến hành thí nghiệm. Chương 3. Quá trình thực hiện và kết quả: Trình bày các kết quả nghiên cứu, giải thích các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra các nhận xét. Đưa ra các phương án tối ưu tăng tốc độ xử lý Rhodamine B, thực hiện thí nghiệm, nhận xét và giải thích các kết quả thu được. Chương 4. Kết luận: Đưa ra kết luận về các kết quả thu được trong nghiên cứu và nhận xét các nghiên cứu tiềm năng có thể triển khai tiếp ở phòng Công nghệ Plasma – Viện Khoa học Vật liệu về xử lý chất thải màu bằng kỹ thuật plasma jet.
7 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về công nghệ plasma 1.1.1. Tổng quan về công nghệ plasma Plasma là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất cùng với rắn, lỏng và khí. Đây là trạng thái mà vật chất tồn tại ở dạng một hệ bao gồm các ion, electron tự do, các phân tử, nguyên tử khí và các hạt trung hòa điện. Tuy trạng thái plasma chứa các hạt ion và electron tự do song đây vẫn là một hệ trung hòa về điện (quasi-neutral). Trong đời sống hàng ngày chúng ta có thể bắt gặp trạng thái plasma xuất hiện ở những sự vật hiện tượng xung quanh chúng ta, ví dụ như mặt trời, tia sét, lửa hay trong đèn huỳnh quang,...[1] Hình 1.1. Hình ảnh 4 trạng thái cơ bản của vật chất và hình ảnh của trạng thái plasma Ở trạng thái plasma, vật chất mang năng lượng cao nhất trong 4 trạng thái, điều này khiến các hạt có thể dễ dàng tương tác với nhau cũng như tương tác với các hạt bên ngoài. Dựa vào các đặc điểm của trạng thái plasma là nhiệt độ và mật độ của các electron tự do, người ta đã chia plasma thành 2 loại là plasma nóng và plasma lạnh. I.1.1.1. Plasma nóng Plasma nóng là trạng thái các hạt (nguyên tử, phân tử, ion và electron tự do) có sự cân bằng nhiệt động học ở nhiệt độ rất cao (thông thường ở nhiệt độ
8 lớn hơn 10000oC) và có mức ion hóa rất cao (xấp xỉ 100 %). Mặt trời là một ví dụ trong tự nhiên về trạng thái plasma nóng. Hình 1.2. Hình ảnh Mặt Trời I.1.1.2. Plasma lạnh Plasma lạnh là trạng thái các hạt (nguyên tử, phân tử, ion và electron tự do) không có sự cân bằng nhiệt động học và mức độ ion hóa thấp (dưới 1%). Ở trạng thái này, nhiệt độ của các electron tự do rất lớn (cỡ 10000 K) trong khi nhiệt độ của các phân tử và ion chỉ ở nhiệt độ phòng (khoảng 300 K). Trạng thái plasma lạnh thường có các gốc tự do (hidroxyl radical) chứa các nguyên từ oxy và ni-tơ. Vì điều kiện tạo ra plasma lạnh đơn giản, chi phí thấp nên loại công nghệ này đang dần được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, vật liệu, môi trường,... Hiện nay công nghệ này đang nhận được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng. [1] Hình 1.3.Các tính chất của plasma lạnh và các ứng dụng của nó [2]
9 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ plasma 1.1.2.1. Ứng dụng của công nghệ plasma nóng Plasma nóng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như khí hóa chất thải [3]; công nghệ vật liệu: tinh chể, chế tạo kim loại, hợp kim, tổng hợp bột gốm mịn,... [4]; thiêu kết plasma [5, 6]; chế tạo vật liệu nano như nano từ tính, nano oxit sắt, oxit nhôm, ... [7]. I.1.2.2. Ứng dụng của công nghệ plasma lạnh Hiện nay, có nhiều loại kĩ thuật ứng dụng công nghệ plasma lạnh được sử dụng trong các lĩnh vực như trong y tế như khử khuẩn, trị liệu - xử lý vết thương, điều trị các bệnh hiểm nghèo như ung thư, ...[8, 9]; trong công nghệ nano như chế tạo các nano vàng, nano bạc,...[9]; trong nông nghiệp để tăng khả năng nảy mầm của hạt, tạo ra loại nước tưới cây giàu dưỡng chất [10] và cả trong lĩnh vực xử lý chất thải. 1.1.3. Tình hình nghiên cứu plasma lạnh Plasma lạnh đã được phát hiện, nghiên cứu và sử dụng từ cách đây 20 năm. Các nghiên cứu sử dụng plasma lạnh xử lí chất hóa học đã được công bố có thể kể đến như dung dịch nước thuốc nhuộm azo và thuốc nhuộm hữu cơ khác đã được xử lý bằng công nghệ plasma lạnh GAD (gliding arc discharge) [11, 12], phóng điện xung lưỡng cực ba pha (three-phase bipolar pulsed discharge) [13], DBD (dielectric barrier discharge) [14], DBD xung trong cấu hình đồng trục (pulsed DBD in coaxial configuration) [15], GDE (glow discharge electrolysis) [16] và corona discharge [11]. Các tác giả đã sử dụng nhiều loại khí khác nhau như oxy, không khí, argon và nitơ làm xúc tác để loại bỏ metyl orange[17], orange II [12], methylene blue [18], direct blue 106 [19] và blue 137 [11] đã được đánh giá với các dạng plasma lạnh khác nhau. Song chưa có nghiên cứu nào kĩ thuật plasma để xử lí chất hóa học. Ở Việt Nam, công nghệ plasma lạnh mới chỉ thực sự được quan tâm và nghiên cứu từ cách đây 5 năm. Nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tìm hiểu và
10 ứng dụng plasma lạnh vào công nghệ y sinh [20], chế tạo nano kim loại [21],... nhưng chưa có nghiên cứu nào được công bố sử dụng công nghệ plasma 1.2. Chất màu Rhodamine B 1.2.1 Tổng quan về Rhodamine Rhodamine là một họ thuốc nhuộm thuộc nhóm thuốc nhuộm Triphenylmethane (có cấu tạo hóa học gồm 3 vòng benzen (C6H5)3CH). Họ này bao gồm 1 số chất hóa học quan trọng như Rhodamine B, Rhodamine 6G, Rhodamine 123. Các chất Rhodamine được dùng chủ yếu trong ngành công nghệ dệt, nhuộm vải và giấy, chỉ thị màu sinh học. Đôi khi, các chất này còn được sử dụng trong nhuộm màu thực phẩm. [22] Các chất nhuộm thuộc nhóm Rhodamine khá độc, có thể hòa tan tốt các dung môi nước, methanol, ethanol,... Sau khi hòa tan, các chất rhodamine có màu sắc tươi sáng. Chính vì đặc điểm này, các chất rhodamine thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, điều này ảnh hưởng rất lớn tới sức khỏe của người sử dụng. Hình 1.4. Cấu tạo chung của họ Triphenylmethane và cấu tạo của Rhodamine B Thuốc nhuộm Rhodamine B là một loại thuốc nhuộm thuộc nhóm thuốc nhuộm azo. Có cấu tạo phức tạp với cấu trúc nhiều vòng benzen Rhodamine B là chất nhuộm màu hóa học có công thức C28H31N2O3Cl. Khối lượng mol của chất là 479.02 g/mol. Rhodamine B còn được biết đến với
11 những tên gọi khác nhau như R.60 Tetraethyl rhodamine; D&C Red No 19; Rhodamine B chloride; C.I. Basic Violet 10; C.I. 45170. Khi ở dạng tinh thể, Rhodamine B tối màu, có ánh xanh, song ở dạng bột, chất này có màu tím đỏ. [23] Hình 1.5. (A) Mẫu bột Rhodamine B và (B) dung dịch Rhodamine B 1.2.3 Ứng dụng của Rhodamine B Rhodamine B được sử dụng như một chất chỉ thị sinh học trong vaccine phòng bệnh dại cho động vật. Rhodamine B được sử dụng như một thuốc nhuộm được đưa vào trong dòng nước để xác định hướng vận chuyển và tốc độ dòng chảy, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ sinh học như quang phổ huỳnh quang, kính hiển vi huỳnh quang hay trong flow cytometry. Ngoài ra, Rhodamine B được dùng để nhuộm màu và tạo màu trong ngành công nghiệp sợi, nhuộm màu trong phòng thí nghiệm để xét nghiệm tế bào do đặc trưng bền màu của nó. Rhodamine B được dùng trong sinh học như một loại thuốc nhuộm huỳnh quang. Tận dụng các đặc tính phát quang của chúng, người ta sử dụng chúng trong việc kiểm soát liều lượng thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng để phun lên các loại cây trong thời gian canh tác. Hoặc
12 chất này được trộn với chất PR 122 (Quinacridone Magenta) tạo ra màu nước hồng tươi. [23] Loại phẩm màu này hiện vẫn đang được sử dụng trong thực phẩm (ví dụ như snack, tôm, hạt dưa, ớt bột, kẹo bông, siro,..) ở một số quốc gia, ngoài ra nó còn được cho vào một số loại đồ uống với nồng độ 7.8 -3000 ppm. Ở nước ta, Rhodamine B đã bị cấm sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm song vẫn bị sử dụng trái phép gây ra mối nguy hại lớn cho sức khỏe của người dân. 1.2.4 Độc tính của thuốc nhuộm Rhodamine B Rhodamine B gây độc cấp và mãn tính. Qua tiếp xúc gây dị ứng hoặc làm mẩn ngứa da, mắt, ... Qua đường hô hấp gây ho, ngứa cổ, khó thở, đau ngực. Qua đường tiêu hóa gây nôn mửa, có hại cho gan và thận. Nếu tích tụ dần trong cơ thể gây nhiều tác hại đối với gan, thận, hệ sinh sản, hệ thần kinh cũng như gây ung thư. Thực nghiệm trên chuột bạch cho thấy Rhodamine B gây ung thư với liều lượng 89.5 mg/kg qua đường uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch. Khi Rhodamine B đi vào cơ thể có thể chuyển hóa thành amin thơm tương ứng có phần độc hại hơn loại thường, gây ung thư và phát triển khối u dạ dày. Tiếp đó, Rhodamine B và các dẫn xuất của nó được lọc qua gan, và tại đây, chất này tiếp tục gây ra ung thư cho đối tượng thí nghiệm. Trong một vài thí nghiệm khác, người ta phát hiện ra rằng Rhodamine B có thể phá vỡ cấu trúc nhiễm sắc thể và ADN khi đưa vào nuôi cấy trong tế bào ở môi trường phòng thí nghiệm. [24] 1.3. Các phương pháp xử lý Rhodamine B Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để xử lý chất màu Rhodamine B và nhiều chất màu khác. Các phương pháp này được chia thành 3 nhóm chính đó là phương pháp sinh học, phương pháp vật lý và phương pháp hóa học.
13 Phương pháp sinh học: Một số phương pháp sinh học để xử lý Rhodamine B là ví dụ như sử dụng vi tảo [25], sử dụng nấm Basidiomycetes [26], bùn hoạt tính (dried biomass of activated sludge) [27],... Các phương pháp phân hủy sinh học có đặc điểm chung đều là phương pháp xử lý thân thiện với môi trường, không để lại chất phụ gia độc hại sau phản ứng nhưng nhược điểm của chúng là tốc độ phân hủy chậm, thời gian phân hủy kéo dài từ vài ngày, vài tuần cho tới vài tháng. Phương pháp hóa học: Một số phương pháp hóa học thường được sử dụng để xử lý Rhodamine B như sử dụng TiO2 hấp phụ, sử dụng bùn đỏ [28], axit humic [29],... Việc sử dụng các chất hóa học trong xử lý dung dịch chất mày Rhodamine B có ưu điểm thời gian xử lý nhanh. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là phải tính toán cẩn thận tỉ lệ hóa chất cần xử lý, tránh gây lãng phí, dư thừa hóa chất; sau khi xử lý chất màu thì rất khó để thu hồi lượng chất hóa học đã sử dụng hoặc sản phẩm còn lại sau phân hủy, từ đó dẫn đến khả năng gây ô nhiễm thứ cấp do trong môi trường nước có khả năng xuất hiện thêm các loại chất khác. Phương pháp vật lý: Một số phương pháp vật lý đã được sử dụng như sử dụng kết hợp H2O2 và rung siêu âm, [22] hoặc sử dụng H2O2 kết hợp với với tia tử ngoại [30]. Việc sử dụng các phương pháp vật lý này có ưu điểm không sử dụng các chất xúc tác tồn tại trong nước sau xử lý, tốc độ xử lý tương đối nhanh so với các phương pháp khác, nhưng nhược điểm của phương pháp vật lý là lượng điện tiêu thụ lớn dẫn tới kinh phí cho quá trình xử lý tăng cao, rất khó để xử lý trên một diện tích rộng địa hình hiểm trở và yêu cầu các trang thiết bị nhất định. Trong luận văn này, tôi sử dụng kĩ thuật plasma jet để xử lý dung dịch chất màu Rhodamine B. Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ xử lý nhanh, nhưng có những nhược điểm về xử việc xử lý trên diện rộng. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ plasma trong nhiều lĩnh vực khác
14 nhau, người ta đã sử dụng plasma để xử lý chất thải đã được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới ví dụ như dung dịch nước thuốc nhuộm azo và thuốc nhuộm hữu cơ khác đã được xử lý bằng công nghệ plasma lạnh GAD (gliding arc discharge) [11, 12] và phóng điện xung lưỡng cực ba pha (three-phase bipolar pulsed discharge) [13], DBD [14], DBD xung trong cấu hình đồng trục (pulsed DBD in coaxial configuration) [15], GDE (glow discharge electrolysis) [16] và corona discharge [11]. Các nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại khí khác nhau như oxy, không khí, argon và nitơ làm xúc tác để loại bỏ methyl orange[17], orange II [12], methylene blue [18], direct blue 106 [19] và blue 137 [11] đã được đánh giá với các dạng plasma lạnh khác nhau. Song ở Việt Nam, việc sử dụng plasma lạnh để xử lý các chất màu độc hại còn khá mới, và đây là nghiên cứu đầu tiên sử dụng plasma jet để xử lý các chất màu độc hại. Trong nghiên cứu này, tôi sẽ tìm hiểu các tác nhân chính giúp phân hủy chất màu Rhodamine B bằng hệ plasma jet, tìm ra cơ chế phân hủy. Từ đó tối ưu hóa các thông số của hệ plasma jet để đạt được hiệu quả phân hủy cao nhất. 1.4. Các phương pháp đo đặc trưng 1.4.1 Phổ hấp thụ UV-Vis 1.4.1.1 Nguyên lý Hình 1.6. Sơ đồ hoạt động của hệ đo phổ hấp thụ UV-Vis Quang phổ UV-Vis (tử ngoại- khả kiến) bản chất giống như sóng bức xạ điện từ và sự tương tác của nó với vật chất được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quang phổ phân tích để xác định, mô tả, định lượng các loại hợp chất.
15 Khi một vật liệu được chiếu xạ bằng sóng điện từ, các hiện tượng như truyền, hấp thụ, phản xạ và tán xạ có thể xảy ra và quang phổ quan sát cho thấy sự tương tác của bước sóng với các vật thể có kích thước rời rạc, chẳng hạn như nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Nguyên tắc đo lường cho máy quang phổ UV-Vis tương đối đơn giản và bao gồm một nguồn sáng, một thiết bị phân tán bước sóng, mẫu và detector. Bộ khuếch đại đơn sắc: Bộ khuếch đại đơn sắc chứa gương, các khe hẹp và lưới. Ánh sáng đa sắc từ một nguồn sáng được đưa vào bộ đơn sắc thông qua khe hẹp và chuẩn trực vào một lưới nhiễu xạ được xoay để chọn bước sóng rời rạc. Ánh sáng sau đó được lấy nét lại bởi một tấm gương khác vào khe thoát ra để có thể được điều chỉnh nhằm kiểm soát băng thông quang phổ (SBW). Ánh sáng sau đó được lấy lại bởi một loạt các gương khác và hướng đến mẫu – nơi nó được hấp thụ, phản xạ hoặc truyền qua. Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo thiết kế chùm đơn và chùm đôi [30] Có hai loại thiết kế: chùm đơn (single beam) và chùm đôi (double beam). Trong cấu hình đơn chùm, bộ đơn sắc, mẫu và bộ tách sóng được sắp xếp nối tiếp và ánh sáng đơn sắc thu được có cường độ I0 chiếu vào mẫu và phát hiện được ánh sáng truyền qua có cường độ I. Trong đó, I/I0 là hệ số truyền. Mặc dù đây là hệ thống quang học được thiết kế đơn giản, nhưng nó dễ bị ảnh hưởng bởi sự dao động của nguồn sáng và cần có phép đo trống cho mỗi lần đo. Trong
16 cấu hình chùm tia kép, ánh sáng đơn sắc được chia thành hai chùm bởi một bộ tách chùm cố định hoặc động, và các chùm sáng riêng lẻ đi qua một mẫu và một tham chiếu và được phát hiện. Cường độ nguồn sáng thay đổi theo thời gian nên quy chiếu chùm tia giám sát năng lượng của đèn và giải thích sự khác biệt năng lượng từ sự dao động điện áp, độ lệch của đèn và ánh sáng đi lạc. Bằng cách chia tách đường quang học, ánh sáng tới và ánh sáng truyền qua có thể được đo đồng thời, bù lại ảnh hưởng của dao động nguồn sáng. Do đó, độ hấp thụ đo được là tỷ số của chùm mẫu so với chùm tham chiếu. 1.4.1.2 Định luật Lambert – Beer Để xác định nồng độ dung dịch qua phép đo UV-Vis, tôi đã sử dụng định luật Lambert – Beer. Định luật Lambert – Beer còn được biết đến với một số tên gọi khác như Beer – Lambert hay Beer – Lambert – Bouguer đây là một hiện tượng dựa trên phép đo phổ hấp thụ của các mẫu dung dịch. Định luật Lambert – Beer được cho bởi công thức: 𝐴 = 𝜀𝑙𝑐 trong đó: A là độ hấp thụ; ε là hệ số molar extinction coefficient (M-1cm-1); l là chiều dài đường đi của tia sáng qua mẫu (cm); c là nồng độ của chất đó (M).